GSI系统下波形衰减系数估算矿体变形模量的新方法

孟世明

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

矿体力学参数的获取是分析矿体工程稳定性的基础，基于GSI系统的Hoek-Brown强度准则更加方便准确地反映了矿体的实际情况，减少了对工程经验的依赖，在工程实践中具有更高的可操作性。韩凤山[1]利用矿体体积节理数Jv对地质强度指标GSI进行量化，用来估算节理化矿体的强度参数。苏永华[2]利用矿体块度指数和绝对风化指数量化GSI取值，估算得到的隧道中矿物的力学强度参数与实测数据对比，估算值具有很高的有效性和实用性。夏开宗[3]利用矿体波速对地质强度指标GSI和矿体扰动参数D进行量化，提出了基于GSI系统的Hoek-Brown强度准则下，矿体波速预测矿体强度参数的方法。

上述矿体强度估算方法中所需估算参数存在获取不易、不快、不准的问题，导致上述方法在工程实践中应用和推广受到一定的限制。为此，本文通过室内矿物声波试验和单轴压缩试验，结合现场原位测试，研究基于GSI系统的Hoek-Brown强度准则下，室内波形衰减系数与现场矿体变形模量的关系，并通过试验数据进行的验证，为运用简单、快速、准确的波形测试手段进行矿体强度参数估算提供新方法。

1 试验过程

矿物取自福建省某矿山0m～8m深度，所研究矿物特性主要为粒状、片状。现场在钻孔取芯后，通过弹模仪测试不同深度下的应力-应变曲线，得到矿体弹性模量、变形模量随深度的变化情况。

在室内先进行矿物的超声波测试，试验样品为圆柱体，直径为67mm～67.4mm，误差小于0.4mm，试件高度80mm～160mm，通过超声波测试系统记录波形并计算出矿物样品的波速和波形衰减系数。完成岩石超声波试验后，将样品经过自动磨石切割机和混凝土试样磨平机加工成高径比为2.0且误差不超过5%的非标准试样进行单轴压缩试验，单轴压缩试验采用RMT-150C岩石力学试验系统，由于矿物直径为67mm，误差不超过5%，因此试验结束后要进行尺寸效应修正，得到标准试样下的矿物力学强度参数。

2 结果分析

卢志强[4]对大量的现场试验数据进行分析，通过拟合建立了矿体变形模量Erm和地质强度指标GSI间的关系。为了能通过简单、快速、准确的波形测试手段对矿体变形模量进行估算，基于GSI系统下Hoek-Brown准则，并结合超声波测试和单轴压缩试验，建立了矿物波形衰减系数与矿体变形模量的关系：

式中：Erm为矿体变形模量；D为矿体扰动参数，取值0.2；GSI为地质强度指标，取值65.67，α为样品（块）波形衰减系数，k、p、m为拟合常数，分别为0.243、0.982、41.336。

根据式（1）代入各参数可计算矿体变形模量，并与矿体变形模量原位测试值比较，得到误差绝对值，结果如表1和图1所示。

表1 体变形模量估算值与原位值

图1 矿体变形模量估算值与原位值随深度的变化

从图1中可以看出，矿体变形模量估算值与原位值随深度的变化趋势非常相近，在原位测试深度为1.5m、3.5m、6.5m、7.6m附近所对应矿物的波形衰减系数计算得到的估算值与原位值非常的接近，误差在2%～5%左右，在合理范围内，说明波形衰减系数计算得到的矿体变形模量估算值与矿体原位测试得到的矿体变形模量非常吻合，验证了样品（块）波形衰减系数估算矿体变形模量的可行性。

3 结论

通过室内试验和现场原位测试，利用曲线拟合以及GSI系统理论，推导出矿体原位变形模量和样品块衰减系数的定量关系；矿体原位测试得到的实测值与通过原位测试深度附近岩块的波形衰减系数计算得到的估算值的误差在2%～5%左右，验证了矿物波形衰减系数估算矿体变形模量的可行性，为今后简单、快速、准确获取矿体力学强度参数提供了新思路。